龔慶慶
[摘要]船用汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)主要是依靠調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)口噴嘴的蒸氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而汽輪機(jī)進(jìn)口噴嘴的流量又取決于安裝在汽輪機(jī)進(jìn)口處的調(diào)節(jié)閥箱。可以說(shuō),調(diào)節(jié)閥箱是船用汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)不可或缺的重要組成部分。本文主要針對(duì)某一船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閣箱,采用ANSYS商業(yè)軟件包中的ICEM網(wǎng)格生成器生成非結(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格,并利用ANSYS商業(yè)軟件包中的CF~求解器進(jìn)行求解計(jì)算。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了某船用調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部的三維流場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部損失機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了改進(jìn)建議。
[關(guān)鍵詞]船用汽輪機(jī);調(diào)節(jié)閥箱;數(shù)值模擬
船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥是船用汽輪機(jī)的重要組成部分,其內(nèi)部流動(dòng)比較復(fù)雜,損失也比較大,近年來(lái)也受到了各界學(xué)者的關(guān)注。德國(guó)SiemensKWU公司對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了大量研究,在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)性能優(yōu)化改進(jìn)方面積累了非常有益的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)GE公司也對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了應(yīng)用研究,并自主開(kāi)發(fā)了調(diào)節(jié)閥專(zhuān)用計(jì)算軟件NOVAK3D。在此基礎(chǔ)上,對(duì)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥采用相應(yīng)的改進(jìn)方案使得調(diào)節(jié)閥總壓損失降低30%,取得了良好效果。國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)黃慶華對(duì)某電站汽輪機(jī)的主蒸氣調(diào)節(jié)閥門(mén)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,選取了主蒸氣閥門(mén)幾個(gè)關(guān)鍵的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)考察閥門(mén)氣動(dòng)性能影響的音速,并據(jù)此對(duì)閥門(mén)通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),取得了一定成效。西安交通大學(xué)李思琦對(duì)艦用汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)行了大量研究。在整個(gè)研究過(guò)程中,采用“空度”的概念來(lái)處理調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部的閥碟和閥桿等固體區(qū)域,計(jì)算采用PHOENICS流體計(jì)算軟件,得到了調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部流場(chǎng)詳細(xì)情況。將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比之后發(fā)現(xiàn),兩者吻合較好。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所徐克鵬等人對(duì)某電站汽輪機(jī)的主蒸氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了數(shù)值模擬和相應(yīng)的試驗(yàn)研究,詳細(xì)地分析了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)損失機(jī)理。大連理工大學(xué)周子筠采用商業(yè)軟件STAR-CD對(duì)某電站輔助汽輪機(jī)頭部(包含主蒸氣閥、蒸氣調(diào)節(jié)閥和進(jìn)口調(diào)節(jié)級(jí)在內(nèi)等結(jié)構(gòu)1進(jìn)行了數(shù)值研究,詳細(xì)分析了汽輪機(jī)頭部的內(nèi)部流場(chǎng)及損失情況,并在此基礎(chǔ)上提出了汽輪機(jī)頭部?jī)?yōu)化改進(jìn)的方法和建議。由于船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,國(guó)外對(duì)船用調(diào)節(jié)閥的研究工作到目前為止主要是由各汽輪機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)獨(dú)立進(jìn)行,國(guó)內(nèi)的研究則主要集中在電站汽輪機(jī),在船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥方面的研究相對(duì)較少。
1計(jì)算模型
1.1幾何模型
船用調(diào)節(jié)閥箱往往由若干個(gè)調(diào)節(jié)閥組成,反過(guò)來(lái)這些調(diào)節(jié)閥通過(guò)螺栓連接并固定安裝在調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)。艦船汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱通常安裝在高壓缸高壓汽輪機(jī)第一級(jí)前和低壓缸倒車(chē)汽輪機(jī)級(jí)第一級(jí)前。
圖1為某船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱幾何結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看到,某船用調(diào)節(jié)閥箱具有+調(diào)節(jié)閥,分別對(duì)應(yīng)三個(gè)調(diào)節(jié)閥出口,分別為Ⅰ號(hào)調(diào)節(jié)閥出口、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥出口和Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥出口。
這三個(gè)調(diào)節(jié)閥分別控制不同的汽輪機(jī)進(jìn)口噴嘴弧段。艦船汽輪機(jī)就是通過(guò)這三個(gè)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制流入汽輪機(jī)的流量,從而實(shí)現(xiàn)噴嘴調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)閥箱兩側(cè)為蒸氣入口,中間三個(gè)孔為三個(gè)調(diào)節(jié)閥閥芯安裝孔位。在調(diào)節(jié)閥箱兩側(cè)還有連個(gè)對(duì)稱(chēng)的調(diào)節(jié)閥進(jìn)口,分別為1號(hào)進(jìn)口和2號(hào)進(jìn)口。
由于船用汽輪機(jī)工作工況的不同,對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥箱各個(gè)閥門(mén)開(kāi)度也是不同的。本文主要選擇船用汽輪機(jī)額定工況即閥箱調(diào)節(jié)閥全開(kāi)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算。
1.2網(wǎng)格模型
圖2為某船用調(diào)節(jié)閥箱計(jì)算模型。為了能讓湍流充分發(fā)展以及使調(diào)節(jié)閥出口氣流達(dá)到穩(wěn)定,調(diào)節(jié)閥箱三個(gè)出口段截取長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)。同時(shí)在三個(gè)調(diào)節(jié)閥閥芯位置有三個(gè)孔,這是閥芯的固體區(qū)域,在數(shù)值計(jì)算時(shí)是沒(méi)有流體通過(guò)的。
圖4為調(diào)節(jié)閥箱網(wǎng)格模型。網(wǎng)格生成采用ANSYS/ICEM商業(yè)軟件,最終生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為170萬(wàn)左右,網(wǎng)格單元總數(shù)為644萬(wàn)左右。由于船用調(diào)節(jié)閥箱幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,為了能使網(wǎng)格快速生成,主流區(qū)域采用了四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖5和圖6為固體壁面附近網(wǎng)格,固體壁面附近網(wǎng)格采用棱柱體化網(wǎng)格,近壁面網(wǎng)格層數(shù)為6層。
2數(shù)值方法
2.1控制方程
計(jì)算采用ANSYS/CFX商用軟件。ANSYS/CFX是基于有限體積法采用全隱式網(wǎng)格耦合求解技術(shù),具有較好的穩(wěn)定性。
在A(yíng)NSYS商業(yè)軟件CFX求解器中,在絕對(duì)坐標(biāo)系下,微分形式的連續(xù)、動(dòng)量和能量方程分別為:
式中:T0=273.15K;μ0為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0℃時(shí)氣體的動(dòng)力粘性系數(shù);Ts為薩瑟蘭常數(shù),與氣體性質(zhì)有關(guān)。
考慮微分形式的連續(xù)、動(dòng)量和能量方程,對(duì)一個(gè)明確的控制體進(jìn)行積分,便可得到積分形式的連續(xù)、動(dòng)量和能量方程:
式中:V表示控制體的體積;S表示控制體的表面積;dnj表示垂直控制體表面并指向外側(cè)的法向量。
2.2湍流模型
CFX求解器提供的渦粘湍流模型有:k-ε、RNGk-ε、k-ω、BSL k-ω和SSTk-ω等湍流模型。本文采用的湍流模型為RNGk-ε湍流模型。
RNGk-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型相似。在RNG k-ε湍流模型中,主要是通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘性項(xiàng)中來(lái)反應(yīng)小尺度的影響,這可以系統(tǒng)地從控制方程中去掉小尺度運(yùn)動(dòng)。所得到的RNGk-ε湍流模型的k方程和ε方程如下:
其中,16
當(dāng)Reynolds數(shù)Rey≥2000時(shí),采用上述RNG k-ε湍流模型中的k和ε方程來(lái)求解:當(dāng)Reynolds數(shù)Rey<2000時(shí),則使用Woffshtein一方程模型來(lái)近似求解近壁區(qū)的湍流流動(dòng),其中動(dòng)量方程和湍動(dòng)能k方程仍使用上述RNGk-ε湍流模型中計(jì)算式,但是湍流動(dòng)力粘性系數(shù)和湍流的耗散率需使用如下公式計(jì)算:
反映壁面對(duì)湍流的影響的長(zhǎng)度尺度參數(shù)lμ、le可使用如下計(jì)算公式:
2.3邊界條件
本文計(jì)算主要采用的邊界條件如下:
人口邊界:進(jìn)口給定來(lái)自鍋爐的新鮮蒸氣的總溫總壓,氣流速度方向垂直于進(jìn)口平面。
出口邊界:給定各個(gè)閥門(mén)出口的質(zhì)量流量;
固體壁面:網(wǎng)格無(wú)滑移,絕熱壁面。
計(jì)算工質(zhì):采用理想蒸氣。
各個(gè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度是固定的,并且是全開(kāi)狀態(tài)。
3數(shù)值分析
3.1流動(dòng)分析
計(jì)算得到的某船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的三維流線(xiàn)圖如圖7所示。從圖中可以看到,Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥較大,通過(guò)的流體較多,其它兩個(gè)調(diào)節(jié)閥較小,流過(guò)的流體較少,并目氣流在通過(guò)各個(gè)調(diào)節(jié)閥時(shí)產(chǎn)生了旋流。從流動(dòng)速度上看,主要流動(dòng)區(qū)域的蒸氣氣流動(dòng)速度并不是很大,大約在100m/s左右。氣流速度較大的區(qū)域主要集中在調(diào)節(jié)閥閥碟位置處,最大速度達(dá)到了750m/s,并沒(méi)有形成激波或達(dá)到臨界。這是因?yàn)殚y碟在此處位置閥門(mén)開(kāi)度較小,形成了節(jié)流作用,使得氣流通過(guò)的截面積下降,從而導(dǎo)致氣流內(nèi)能(氣流為從鍋爐出來(lái)的新鮮蒸氣,具有較高的壓力和溫度)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,速度急劇上升,結(jié)果是流體沿著閥碟下部通道噴射而出。這就使得流場(chǎng)分布十分不均勻,使得調(diào)節(jié)閥箱產(chǎn)生了較大的節(jié)流損失。從圖中流線(xiàn)的分布可以看到,主要損失有三部分:一是。氣流通過(guò)各個(gè)閥門(mén)的節(jié)流損失;二是。氣流繞過(guò)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥芯的阻力損失;三是,從兩人口進(jìn)來(lái)的氣流在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥芯位置產(chǎn)生的氣流摻混損失。總的來(lái)說(shuō),這三部分損失大小可以估計(jì)為:節(jié)流損失>摻混損失>繞流損失。
圖8為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線(xiàn)局部放大圖。從圖中可以看到,Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥流動(dòng)主要是繞流,氣流繞過(guò)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥,而直接通過(guò)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入到汽輪機(jī)的流體較少,其主要原因也是Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥體直徑小,節(jié)流作用大。圖9為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線(xiàn)局部放大圖。從圖中可以看到,來(lái)自?xún)蓚?cè)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的繞流,在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥位置匯合并摻混,最后一并進(jìn)入到Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥。從圖中可以看到,來(lái)自I號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的繞流,在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥位置處有分界但不明顯,流線(xiàn)又比較雜亂,由此不難推斷此處有較大的摻混損失。
從整體上看,很明顯Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用要大于Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥,同時(shí)還可以看到,氣流在流經(jīng)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥時(shí)有明顯的偏轉(zhuǎn)作用。氣流速度最大的位置主要在閥座位置處,原因是閥座是整個(gè)調(diào)節(jié)閥喉道面積最小的區(qū)域。
圖10為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥水平中分面流線(xiàn)圖。從圖中可以明顯看-到氣流繞過(guò)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥芯,當(dāng)氣流達(dá)到閥芯兩側(cè)頂點(diǎn)(+90°)附近就離開(kāi)了壁面,并且分離后的流體在閥芯下游形成了近似對(duì)稱(chēng)的固定不動(dòng)的漩渦(又稱(chēng)附著渦)。圖11為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥水平中分面流線(xiàn)圖。來(lái)自Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥的繞流在Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥位置發(fā)生碰撞,形成了明顯的交界面。碰撞后的氣流也沒(méi)有立即摻混,而是折返形成了兩對(duì)互不交融的漩渦,經(jīng)過(guò)旋流最后才摻混到一起進(jìn)入Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥。
3,2壓力損失
調(diào)節(jié)閥箱垂直中分面總壓分布云圖如圖12所示。從圖中可以看到,三個(gè)調(diào)節(jié)閥經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的節(jié)流之后,閥門(mén)出口前后產(chǎn)生了較大的壓差。其中Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失較大,Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失相對(duì)小一些,這和前面的分析是一致的。根據(jù)計(jì)算,Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥的進(jìn)、出口的壓差分別為1.94MPa、2.02MPa、1.18MPa。
調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)的定義公式為:
式中:ptol,in表示調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)口處的總壓,單位為Pa;ptol表示調(diào)節(jié)閥箱某測(cè)點(diǎn)處的總壓,單位為Pa;ρin表示調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)口處的氣流密度,單位為kg/m3;V表示調(diào)節(jié)閥箱進(jìn)口處的氣流速度,單位為m/s。
圖13為調(diào)節(jié)閥箱總壓損失系數(shù)分布圖。圖14為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)分布局部放大圖。圖15為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥總壓損失系數(shù)分布局部放大圖。從圖中可以清晰地看到,調(diào)節(jié)閥最大總壓損失發(fā)生的地方在I號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥碟下方,總壓損失系數(shù)達(dá)0.84,主要為節(jié)流損失。而閥箱的沿程阻力損失僅1.5×10-4。氣流通過(guò)閥座喉部進(jìn)入出口段,在很長(zhǎng)一段距離內(nèi)還發(fā)生了明顯的摻混,有很長(zhǎng)的“彗尾”,表現(xiàn)為總壓損失系數(shù)由不均勻逐漸變?yōu)榫鶆?,這和圖7閥箱內(nèi)流線(xiàn)圖所觀(guān)察到的結(jié)果是一致的。
調(diào)節(jié)閥箱垂直中分面總溫分布云圖如圖16所示。從圖中可以看到,盡管高溫高壓蒸氣經(jīng)過(guò)各個(gè)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后,總溫并沒(méi)有下降。這表明蒸氣的內(nèi)能和比焓并沒(méi)有因?yàn)楦髡{(diào)節(jié)閥的節(jié)流而改變。各調(diào)節(jié)閥節(jié)流對(duì)蒸氣影響最大的是壓力。
3.3速度損失
圖17為Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部位置馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看到,氣流在經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流后,馬赫數(shù)由0.1變化到1.043,但很快又降到亞音速以下,并回落至0.1左右。在較短的流程內(nèi)流動(dòng)速度變化比較劇烈。盡管氣流在閥座喉部附件發(fā)生了局部超音速,但通道內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激波。從速度云圖上可以看到,從喉部出來(lái)的蒸氣流體主要匯聚于閥碟下部區(qū)域,并沒(méi)有立即充滿(mǎn)整個(gè)流道,而是產(chǎn)生了回流區(qū),形成了“空穴”流動(dòng)。
圖18為Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部位置馬赫數(shù)分布云圖。從圖中可以看到,氣流在經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流后,氣流馬赫數(shù)由0.1上升到1.173左右。和I號(hào)、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥—樣,速度很陜又回落到0.1馬赫數(shù)左右。在喉部位置區(qū)域,存在局部超音速流動(dòng),但沒(méi)有出現(xiàn)激波。和Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥相反,從Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥喉部出來(lái)的流體并沒(méi)有匯聚于閥碟下部區(qū)域,而是緊貼出口段壁面。在閥碟下部中間區(qū)域,可以明顯看到被低速流體占據(jù),并且在較大范圍內(nèi)存在回流,形成很大的“空穴”。
4結(jié)論
1)船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)的損失主要包括局部阻力損失、沿程損失、摻混損失以及調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失。其中沿程損失較小,可以忽略不計(jì)。由于閥芯較小,局部阻力損失也不大。在閥芯與閥座共同決定的喉部區(qū)域,調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失較大。由于調(diào)節(jié)閥箱設(shè)置了兩個(gè)人口,在蒸氣流人Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥時(shí),還產(chǎn)生了摻混損失。
2)閥碟和閥座形成的喉部區(qū)域是船用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥箱內(nèi)部總壓損失主要發(fā)生位置,此處各調(diào)節(jié)閥處于強(qiáng)烈的節(jié)流狀態(tài)。蒸氣通過(guò)調(diào)節(jié)閥后,由于受到節(jié)流作用,總壓出現(xiàn)了明顯的下降,但由于節(jié)流前后內(nèi)能不變,總溫和比焓保持不變。
3)蒸氣快速流過(guò)調(diào)節(jié)閥喉部后,匯集在靠近閥座壁面的區(qū)域或出口段壁面處,這樣就在出口段形成了較大的回流區(qū),產(chǎn)生了氣流“空穴”。對(duì)于這樣的問(wèn)題,可以考慮采用實(shí)體部分來(lái)填充空“穴區(qū)”區(qū)域的辦法來(lái)消除“空穴”區(qū)對(duì)閥門(mén)激振等不利影響。
[責(zé)任編輯:楊玉潔]